【研究分野】ナノ構造物理

【研究領域課題番号】17H01038 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

単一分子トランジスタ / テラヘルツ電磁波 / ナノギャップ電極 / カーボンナノチューブ / フラーレン / 量子ナノ構造 / 単一電子トンネル / テラヘルツ分光 / 単一分子 / 量子ドット / トンネル分光 / テラヘルツ / 単一電子トランジスタ / テラヘルツ／赤外材料・素子 / ナノワイヤー / テラヘルツ/赤外材料・素子

【研究成果の概要】

近年、ナノワイヤー、分子などナノ量子構造を用いてトランジスタを形成し、その中における電子のダイナミクスを応用して、エレクトロニクスに新しい局面を拓こうとする研究が重要となりつつある。しかし、ナノ構造の物性解明と制御に非常に有効なテラヘルツ（THz）電磁波と極微細なナノ量子構造との相互作用は極めて弱い。
本研究では、nmオーダーのギャップを有する極微金属電極をTHz電磁波に対するアンテナとして用いることにより、回折限界をはるかに超えてTHz電磁波を集光し、極微ナノ構造中の電子状態や伝導ダイナミクスを明らかにした。

【研究の社会的意義】

テラヘルツ電磁波の光子エネルギーは、単一分子やナノワイヤーなど極限ナノ構造内の様々なエネルギースケールと整合するため、電子状態やダイナミクスを明らかにするために適している。しかし、テラヘルツ電磁波の波長が100ミクロン程度と非常に長いため、ナノ量子構造に集光することができなかった。本研究では、原子スケールのギャップを有する電極をテラヘルツ電磁波のアンテナとして用いることにより、単一分子の振動によるテラヘルツ信号を読み出すことに成功した。本研究は「テラヘルツナノサイエンス」という新しい学問分野が立ち上がる大きなきっかけとなった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】43,420千円 (直接経費: 33,400千円、間接経費: 10,020千円)

【研究分野】結晶工学

【研究領域課題番号】26246017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット太陽電池 / 中間バンド太陽電池 / 自己組織化量子ドット / ２段階光吸収過程 / 分子線エピタキシー / 量子ドット超格子 / 量子ドット / 2段階光吸収過程 / フーリエ変換光電流分光法 / 結晶成長 / 高効率太陽光発電材料・素子 / 太陽電池 / 半導体物性 / 量子ナノ構造 / 2段階光吸収 / 太陽光発電 / 量子効率

【研究成果の概要】

従来のpn接合間の最適なエネルギー位置に新たにバンド構造を導入した中間バンド型太陽電池が実現できると、エネルギー変換効率の理論値は60%(集光時)を上回り、現在の単結晶Si太陽電池の２～３倍の発電量が得られる。このような太陽電池を実現する素子構造として、高密度、高均一で周期配列させた量子ドット超格子(ドット結晶)が挙げられる。
本研究では価電子帯から中間バンドへ、また中間バンドから伝導帯への励起強度と時間遅れが光電流に及ぼす影響を網羅的に調べることにより、中間バンドの役割を明確にし、かつこのときの最適な集光条件を見出すことにより、電流整合の最適化及び高電圧化を図ることを目的とした研究を行った。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】41,860千円 (直接経費: 32,200千円、間接経費: 9,660千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】14F04767 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ホットキャリア大陽電池 / 量子ナノ構造 / エネルギー選択性コンタクト / キャリア熱緩和過程 / 量子ドット / キャリア熱緩和

【研究成果の概要】

本研究では、量子ナノ構造を用いたホットキャリア吸収層及びエネルギー選択性コンタクトの設計と作製、ホットキャリア太陽電池の実現に向けた材料評価、素子特性評価を行うことを目的とした。まずGaAs/AlGaAs多重量子井戸をホットキャリアの吸収層として用いることを検討した結果、量子閉じ込め構造によりキャリアの熱緩和時間の長寿命化が期待され、実際に作製した試料において、可視光レーザで励起した光キャリア温度が高倍集光下の条件で500K以上になることを実証した。
次に、ホットキャリア素子の電流電圧特性における直列抵抗の効果をシミュレーションにより検討し、微分負性抵抗による電流ピークが直列抵抗の影響によりシフトする実験結果を説明できることを示した。このことはエネルギー選択性コンタクトによりホットキャリアを取り出す際の素子構造を最適化する際に重要なパラメータとなる。本来理想的なエネルギー選択性を有するコンタクトにはエネルギー準位が離散的な量子ドットを用いることが望ましく、この際に適切な物質の選択とバンド構造の設計が必要不可欠であるが、一方で、例えば量子井戸を用いた二重障壁共鳴トンネル構造等の比較的作製が容易な構造を用いて、微分負性抵抗による電流ピークを明瞭かつ室温で観測することができれば、エネルギー選択性コンタクトによりホットキャリアを取り出す際の素子構造を最適化する際に重要なパラメータとなる。そこで本研究では、対称型と非対称型のAlGaAs/GaAs二重障壁共鳴トンネル構造を検討した結果、非対称型構造の場合、300Kの常温でも微分負性抵抗による電流ピークを明瞭に観測され、また温度によるピークシフトがほぼない特性を示した。これによりホットキャリアの取り出しを効率良く行うための太陽電池構造の最適設計に活用することができる。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2014-04-25 - 2017-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】ナノ構造物理

【研究領域課題番号】25246004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / テラヘルツ / 単一電子トランジスタ / ナノ構造 / 量子ナノ構造 / 量子準位 / 帯電エネルギー / テラヘルツ電磁波

【研究成果の概要】

自己組織化InAs量子ドット中では、軌道間の量子化エネルギー差や帯電エネルギーが、テラヘルツの光子エネルギーに相当する。しかし、一般にテラヘルツ電磁波の波長に比べ、量子ドットのサイズが非常に小さいため、通常のテラヘルツ透過測定では単一量子ドットの信号を得ることは不可能である。本研究では、ソース・ドレイン電極をアンテナとして用いて、テラヘルツ電磁波を単一量子ドットに集光し、さらに同じ電極を用いて量子ドットを流れるテラヘルツ誘起光電流を計測することにより、量子ドットのサブレベル間エネルギーや帯電エネルギーなど、重要な電子状態のパラメータを決定することができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】45,890千円 (直接経費: 35,300千円、間接経費: 10,590千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】18201027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ制御 / テラヘルツ電磁波 / 量子ナノ構造 / 分子素子 / 半導体超格子 / ブロッホ振動 / 量子ドット / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究では、電子とテラヘルツ電磁波との相互作用の詳細な検討から、バルク半導体や半導体超格子構造中の電子の特異な伝導ダイナミクスとそれがもたらす利得スペクトルを明らかにした。さらに利得を応用したテラヘルツ発振器の実現に向けたテラヘルツ共振器構造の試作と評価を行った。また、光の回折限界を大きく超えて、テラヘルツ電磁波で単一の量子ドットや分子の伝導ダイナミクスを測定するためのナノギャップ電極試料構造を作製し、ナノ領域特有の新規な伝導特性を見いだした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】51,870千円 (直接経費: 39,900千円、間接経費: 11,970千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】15206037 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

テラヘルツ電磁波 / 量子ナノ構造 / 超格子 / ブロッホ振動 / トランジスタ / 量子ドット / 分子デバイス / フェムト秒分光 / 量子カスケードレーザ / 分子接合 / MEMS技術 / 超高速トランジスタ / 単一分子素子

【研究成果の概要】

本研究では、テラヘルツ(THz)電磁波の放射・吸収をプローブとして、量子ナノデバイスの伝導ダイナミクスを解明することを目的に研究を行い、以下のような主な成果を得た。
1)半導体超格子中の電子波束のダイナミクスと伝導・損失・利得の解明:半導体超格子中でブロッホ振動する電子が放射するテラヘルツ電磁波のスペクトルの解析から、電子の伝導度スペクトルがブロッホ周波数以下で負になることを示し、超格子中にブロッホゲインがあることを世界で初めて示した。さらに、電子のブロッホ振動の緩和機構が界面の凹凸散乱であることを明らかにした。
2)極短チャネルトランジスタ中の非定常伝導と超高電界伝導:極短チャネルトランジスタ中の電子の過渡的な振る舞いを理解するため、バルクGaAs中に光励起したキャリアが走行するときに放射するTHz電磁波からキャリアの過渡伝導の振る舞いを検討した。特に、50kV/cm以上の高電界領域では、電子加速に伴うTHz放射強度が電界とともに減少するという振る舞いを見いだした。さらに、フェムト秒光パルスでゲートに瞬間的な変化を与え、それに伴うドレイン電流の変化から放射されるTHz電磁波の波形を計測するという方法により、従来のネットワークアナライザでは測定ができない超高速トランジスタの遮断周波数を見積もることができることを明らかにした。
3)単一分子・量子ドット/ナノギャップ電極接合の伝導ダイナミクス:単一分子や単一量子ドットに金属電極を形成したナノ接合の伝導ダイナミクスの解明を目指したが、現段階では、直流での伝導は評価できたが、構造の不安定性により、THz分光にまでは到達することができなかった。この研究は、本研究をさらに継続・発展させる目的で申請した科研費基盤研究「量子ナノ構造系のテラヘルツダイナミクスの解明と制御に関する研究」(課題番号:18201027)で引き続き、検討を行っている。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】38,350千円 (直接経費: 29,500千円、間接経費: 8,850千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】13555104 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 光検出 / 量子ナノ構造 / ヘテロ構造 / 赤外光 / サブバンド間遷移 / 単一電子トランジスタ / ナノ構造 / 赤外線 / トンネル効果 / サブハンド間遷移

【研究成果の概要】

波長数μm^〜数十μmの中赤外帯の光検出は、リモートセンシングや排ガス計測などの環境計測、宇宙物理、暗視装置、バイオ関連等の応用分野で極めて重要な技術となりつつある。近年、その作製技術や物性の理解が急速に進展しつつある自己組織InAs量子ドットは、作製の容易さ、電子閉じ込めエネルギー、光との散乱断面積の大きさ等の観点から、中赤外光検出の活性層として極めて魅力的である。
本研究では、高移動度変調ドープ量子井戸構造と自己組織化InAs量子ドットを組み合わせた新しい素子構造(変調ドープ量子ドット赤外光検出器)を提案し、量子ドットの光イオン化を用いた中赤外光の高感度検出を実現するとともに、その物性の理解と高性能化への指針を得ることを目標に研究を行った。現在までに、n型変調ドープ量子ドット赤外光検出器構造を用いて、従来の量子井戸赤外光検出器の感度の約10倍の感度(5A/W)を達成するとともに、p型変調ドープ量子ドット赤外光検出器構造においては、さらに高い感度を得ることができるであろうという感触を得た。また、光励起キャリアの緩和過程において、p準位や濡れ層の連続準位が重要なはたらきをしていることを明らかにした。
さらに、本研究では、量子ドットをクーロン島とする単一電子トランジスタ構造を作製し、それを光吸収量子ドットと積層化することにより、赤外単一光子検出を実現することをめざして研究を行った。その成果として、量子ドット単一電子トランジスタを実現し、量子ドットのシェル構造、帯電エネルギーなど、新しい知見を得た。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】12,600千円 (直接経費: 12,600千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】08555081 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 微小共振器 / 量子井戸 / テラヘルツ電磁波 / 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス

【研究成果の概要】

情報通信技術の発達はさまざまな電磁波領域の開拓を必要としてきている。これは単に情報量の増大のみならず、さまざまな情報のやりとりを実現するために要請されてきている。
本試験研究では、21世紀のテラビット級情報ネットワーク構築をめざした基礎技術として、コヒーレント・テラヘルツ電磁波発生のための半導体集積デバイスの開発研究を行い、テラヘルツもしくはフェムト秒テクノロジーという研究分野の実用化に寄与することをはかった。まず、絶縁性GaAs基板上にGaAsを低温成長しその表面および基板裏面に光導伝ダイポールアンテナを集積化し、フェムト秒レーザパルスを用いたポンププローブ法により、テラヘルツの発生と検出を行った。その結果感度を2.5倍向上させることができた。この結果は本素子の有効性を示すものである。さらに新しい原理のデバイスとして、半導体微小共振器と多重量子井戸を面型に組み合わせたしたコヒーレント・テラヘルツ電磁波発生用半導体集積デバイスを提案し素子設計を行った。また、これにもとづきMOCVD結晶成長により素子の試作を行った。その基礎実験を行った。本素子は、半導体量子井戸を有する微小共振器においてわれわれが1992年に世界に先駆けて見い出した励起子ポラリトン効果(量子井戸中の励起子と微小共振器中の光子のコヒーレント相互作用による真空ラビ振動)を利用したものである。フェムト秒分光システムによりポンプ・プローブ法により反射スペクトルを観測することにより、光を搬送波とする2テラヘルツ程度のテラヘルツ振動を観測することに成功した。
本研究により、集積テラヘルツ電磁波発生システムの基礎付けが行われ、マイクロ波フォトニクスにおける新たな展開をもたらす可能性を示唆することができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】17,400千円 (直接経費: 17,400千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】07044120 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メソスコピック / 量子ナノ構造 / 量子ドット / 超格子 / 共鳴トンネル / 単一電子 / 一次元構造 / 半導体

【研究成果の概要】

本年度は以下の研究を行い成果を得た。
(1)半導体超微細加工プロセス・評価技術に関しては,選択的結晶成長法や電子線描画装置を用いて,10nmサイズの極微細構造を作製するプロセスを確立した.また,減圧下での結晶成長法を用い,10nm以下の半導体量子ドット構造を自然形成させる技術の開発にも成功した.これらの半導体微細構造は,GaAsやInAsなどの化合物半導体のみならず,Siにおいても作製に成功している.
(2)メソスコピック領域の電子物性の研究では,まず強磁場中の二次元電子系について検討し,素子境界付近に形成されるエツジ状態のコヒーレンス長が極めて長いことを初めて実験的に示した。また量子ホール効果が電流増加に従いブレークダウンする機構を明らかにした.量子ホール効果状態にある半導体ヘテロ構造中の2次元電子系の電気抵抗が遠赤外光の照射に伴い敏感に変化することを発見し,その機構を明らかにするとともにこの効果を超高感度遠赤外線検出器として利用できる可能性があることを示した.
(3)新高機能デバイスの探索では,種々の新しい概念をもつデバイスの研究で成果をあげた.まず,InAs量子ドットをチャネル近傍に埋め込んだ新しいトランジスタ構造を作製し,量子ドットの帯電効果をメモリーとして用いることができることを示した.また,同様の構造をSiでも作製し,将来の集積回路応用が可能なメモリデバイスの動作を室温で確認した.一方,極微細量子ドットをチャネルとするシリコン・トランジスタを作製し,単一電子のトンネル現象を室温において観測することに成功した.また,ドット内の量子準位間隔を実験で求め,単一電子帯電効果だけでなく量子効果も大きな役割を果たしていることを明らかにした.

【研究種目】国際学術研究

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】12,900千円 (直接経費: 12,900千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】07405018 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 微小共振器 / フォトニック結晶 / STM / レーザ / ピコ光パルス / 半導体 / 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 化合物半導体 / 光デバイス

【研究成果の概要】

1982年に量子ドットレーザが提案されて以来、半導体ナノ構造構造の研究は急速に発展し、固体物理およびエレクトロニクスの研究分野に大きなインパクトをもたらしてきた。しかし、これまでの多大な努力にもかかわらず、形成技術や量子ドットの物性の解明が十分ではないため、現時点においては量子ドットレーザが当初予想されたような性能を実現するには至っていなかった。
本研究では、量子ドットの形成および物性物理の解明を踏まえて、量子ドットレーザの実現の基礎固めをはかることをめざしている。まず、量子ドットの新しい作製法として、選択成長を用い2次元V溝構造を形成しその中に量子ドットを成長させる手法を開発するとともに、自己形成量子ドットの作製技術の確立を行った。特に、前者においては垂直量子細線も形成可能であることを示すとともに積層構造も作製した。また、量子ドットの局所的評価手法として、近接場光学顕微鏡による量子ドットからの発光の観測を行い、強磁場における量子ドット中の電子のスピン分裂の観測に世界で初めて成功した。また、低温STMを用いたトンネル発光の実験を量子ドットについて初めて行い、単一量子ドットからの発光を確認するとともに分光に成功した。これらの結果はナノテクノロジー技術の開拓に重要なインパクトを与えるものである。さらに、量子ドット中のキャリアダイナミックスを時間分解測定により明らかにするとともに、微小共振器型量子ドットレーザの発振に成功し、ピコ秒光パルスの生成を行った。また電子とフォノンとの相互作用について理論研究を行い、いわゆるフォノンボトルネックは殆ど問題にならないことを初めて示した。2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案と解析をさらに進めた。さらに、以上の研究により次世代の半導体レーザのあり方を浮き彫りにすることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】35,300千円 (直接経費: 35,300千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】06555100 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 微小共振器 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス / 歪構造 / 半導体レーザ / 量子ドット / ステップエッジ

【研究成果の概要】

21世紀の超高速大容量光情報伝送や光情報処理の実現のためには、時間軸と空間軸の両方において高密度化が可能な光源の開発が不可欠である。しかし実現の道はそれほど近くはない。したがって、このような次世代光技術をささえるために新たな半導体レーザを開拓し、その技術を確立することは急務といわざるを得ない。
本試験研究では、上述の究極レーザのひとつとして、量子細線を活性層に有する垂直型微小共振器レーザをこれまでの本研究者の実績をふまえて試作し、その高性能性を明らかにする。これにより「量子微小レーザ」が超高密度(時間的・空間的)集積光システムの中心になり得ることを実証し、次世代の集積レーザのあり方が浮き彫りにする。
本研究計画で得られた成果は,量子ドットの作製技術としては,(1)形成の初期過程の観察(2)自然配列化(3)新しい作製法の開拓(4)微小共振器量子ドットレーザ作製(5)壁開面上への量子細線の選択成長について成果を挙げるとともに,ナノメートルスケールの光・電子相互作用の解明として(6)近接場光顕微鏡による量子ドットの光学評価(7)マイクロフォトルミネッセンスによる2次元電子ガスとポイントコンタクト構造における電子の噴出現象の可視化を進めた。さらに,(8)共振器ポラリトンにおける励起子-励起子散乱の効果の解明(9)微小共振器中の量子井戸における磁気励起子効果の観測(10)2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案など,共振器効果についても重要な知見を得ることができた。
これらに加えて垂直共振器型量子細線レーザおよび垂直共振器型量子ドットレーザを試作し,光ポンピングによる低温レーザ発振に成功した。
本研究成果はナノ構造を有する半導体レーザの実用性の可能性を明らかにしたものであり,今後のデバイス技術の発展に大きく寄与するものである。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】13,200千円 (直接経費: 13,200千円)